MA-DTPA/PVDF螯合膜吸附镍离子的研究

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以二乙烯三胺五乙酸(DTPA)、三聚氰胺(MA)和聚偏氟乙烯(PVDF)为主要试剂,采用物理共混/相转移技术,制备了MA-DTPA/PVDF螯合膜,表征了螯合膜的结构和形态,开展了其吸附Ni(Ⅱ)的特性研究,实现了水环境中各形态Ni(Ⅱ)的有效去除。本研究采用SEM、FTIR和NMR分析螯合膜的表观形貌和官能基团;探讨了Ca(Ⅱ)、NH4+、Fe(Ⅲ)等共存阳离子,以及乳酸、柠檬酸、丁二酸等有机酸对螯合膜吸附Ni(Ⅱ)容量的影响,研究了共存阳离子和有机酸对螯合膜吸附Ni(Ⅱ)特性的影响;分析了三元镀镍体系中Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)等3d过渡金属离子对螯合膜吸附Ni(Ⅱ)能力的影响;并初步开展了膜分离实验研究。FTIR和NMR结果表明多氨基多元羧酸基团成功共混到螯合膜中,且对于Ni(Ⅱ)的吸附为螯合。螯合膜对水合态Ni(Ⅱ)的吸附性能优良,吸附容量能达到0.030mg/cm2以上。共存阳离子对螯合膜吸附能力的干扰顺序为Ca(Ⅱ)>NH4+>Fe(Ⅲ);有机酸对螯合膜的影响次序为乳酸<丁二酸<柠檬酸,这取决于有机酸与Ni(Ⅱ)的配位稳定性;吸附研究表明共存阳离子和有机酸没有改变吸附本质,吸附动力学过程符合准二级动力学模型,等温吸附过程符合Langmiur方程,D-R拟合表明吸附为离子交换反应,热力学参数ΔG0<0、ΔH0<0、ΔS0>0,表明该吸附为自发的放热过程。三元镀镍中共存金属离子对螯合膜吸附Ni(Ⅱ)有较显著的影响,其影响程度依次为Zn(Ⅱ)<Co(Ⅱ)<Fe(Ⅱ)<Cu(Ⅱ)。吸/脱附实验表明螯合膜具有良好的再生利用性能。本文依据第一性原理揭示了三聚氰胺和DTPA在有机溶剂中的反应机制;应用密度泛函理论(DFT)从分子水平上揭示螯合膜对Ni(Ⅱ)的吸附特性,优化了MA-DTPA与Ni(Ⅱ)的配位模型,分析优化后配合物的几何参数,配位结合能和吉布斯能变以及电荷布居,得到了稳定的构型。在此基础上优化MA-DTPA与Ca(Ⅱ)、NH4+、Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的配位结构以及乳酸、丁二酸、柠檬酸与Ni(Ⅱ)的配位结构,计算了配位结合能和吉布斯能变,分析了离子与络合剂之间的配位稳定性,其中共存阳离子与MA-DTPA的配位稳定性以Ca(Ⅱ)>NH4+>Fe(Ⅲ)排列,3d过渡金属离子则以Zn(Ⅱ)<Co(Ⅱ)<Fe(Ⅱ)<Cu(Ⅱ)排列,有机酸对Ni(Ⅱ)的络合能力依次为乳酸<丁二酸<柠檬酸,显著低于MA-DTPA,与实验结果相一致。此外,采用DFT分子模拟,结合FTIR、FT-Raman和XPS技术研究了PVDF膜在碱性溶液中的降解路径,分析了降解路径的活化能,提出了PVDF膜在碱性溶液中的降解机制。研究结果表明碱化处理后的PVDF膜中存在C=C共轭双键,PVDF骨架碳原子以CH2,CF2,C-OH和C=O等形式存在。DFT计算表明在碱溶液中PVDF膜首先发生脱氟反应,进而引入羟基和羰基等含氧基团。
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